伴隨著航空工業(yè)的發(fā)展,高端高溫合金的需求也日益旺盛。高溫鈦合金由于其比強度高的特點, 在航空領域得到廣泛應用。尤其是在航空發(fā)動機內(nèi)應用高溫鈦合金,可以減小發(fā)動機的質(zhì)量,提高燃油輸出功率,減小噪聲。國內(nèi)外主要的高溫鈦合金有美國的 T-i1000、英國的 IMI834、俄羅斯的 BT36和中國的 Ti600等,這些鈦合金在高溫下都具備較高的瞬時強度和蠕變強度。
高性能TC4鈦合金棒材作為現(xiàn)階段應用范圍最廣的高強度鈦合金型材,通過改變其合金元素含量,改進加工工藝,可以獲取更好的高溫性能,這在實際生產(chǎn)和研發(fā)中具有重要的意義。對于不同成分及加工工藝的TC4鈦合金,測試其是否具有符合實際生產(chǎn)規(guī)定的蠕變性能也具有重要的意義。由于現(xiàn)階段TC4鈦合金主要在400 ℃下服役,筆者測試了其在該溫度下的多應力蠕變數(shù)據(jù),繪制在一定殘余變形下的時間-應力曲線,并對TC4鈦合金的蠕變性能進行了分析討論。
1、試驗原理與試驗方法
1.1 試驗原理
一般的蠕變試驗是在一定溫度下,沿試樣的軸線方向施加恒定拉應力并保持一定的時間,以獲得試樣產(chǎn)生的總伸長或殘余伸長及蠕變斷裂時間。
2.2 試驗方法
鑒于現(xiàn)有的TC4鈦合金棒材的主要使用溫度為400℃,界定失效條件為0.1％ 蠕變殘余變形(35h)和0.2％蠕變殘余變形(100h)。選用原始直徑為20 mm的TC4鈦合金棒材,經(jīng)熱處理(780℃保溫1.5h后空冷)后加工成直徑為10mm的蠕變試樣,在RD2型蠕變試驗機上進行蠕變試驗,試驗機力值精度0.5級,同軸度偏差小于６％。
2、試驗結(jié)果與討論
2.1 試驗結(jié)果
基于以上各種試驗數(shù)據(jù),測試該試樣在400℃時各應力下的總延伸率與時間的關系,結(jié)果見圖1。
對圖1 的結(jié)果進行計算,可得400℃下TC4鈦合金的彈性變形,結(jié)果見表1。
由于蠕變試驗中總延伸率是由塑形變形與彈性變形組成,蠕變試驗過程中可直接測得的只有總延伸率,假定蠕變試驗過程中在應力一定的情況下彈性變形不變。利用表1 的數(shù)據(jù),測定規(guī)定0.1％和0.2％殘余變形的條件下觀察總延伸率的數(shù)值,選擇終止試驗時間。所得到的應力與對應的試驗時間見表2,依據(jù)該結(jié)果,繪制在規(guī)定溫度下規(guī)定殘余變形的應力與時間曲線,見圖2。
2.2 討論
圖3 反映了一般蠕變試驗3個階段的典型曲線,3個階段分別為：①I 階段,加速度減小、速度增大直至加速度為零、速度恒定,曲線表現(xiàn)為斜率變小且趨勢變緩；②II 階段,加速度為零,速度恒定增大,曲線表現(xiàn)為斜率恒定；③III 階段,加速度變大,速度增大至試樣斷裂,曲線表現(xiàn)為斜率變大且趨勢加快。該試驗中,圖1所示的總延伸率和時間曲線明顯處于典型曲線的I~II 階段。分析各應力下的蠕變試驗曲線可見,伴隨著應力增加,曲線斜率增大,斜率變定值的時間變長。對照蠕變試驗的曲線特點可知,在該試驗溫度和試驗應力條件下,蠕變試驗發(fā)生在蠕變的I~II 階段,伴隨著試驗應力的增加,蠕變I 階段時間變長,II 階段的穩(wěn)態(tài)蠕變速率變大。
依據(jù)總延伸率為彈性變形與塑形變形之和的原理,在規(guī)定蠕變殘余變形為0.1％和0.2％的前提下,測定選擇試驗的終止時間。在試驗結(jié)束后測試
所得的塑形變形均在0.1％ ±0.00５％ 和0.2％ ±0.008％,在各個應力條件下均完成了6個試驗,雖然試驗時間均有差別,但試驗所得的塑形變形相對變化不大。因此試驗結(jié)果表明,在該試驗條件下,TC4鈦合金棒材的彈性變形在一定應力下不隨時間的增加而變化。
對圖2 中的時間和應力數(shù)值取對數(shù)后發(fā)現(xiàn),應力和時間成近線性關系,依據(jù)圖2 中的曲線關系,可在規(guī)定時蠕變殘余變形為0.1％和0.2％的前提下獲取一定應力下TC4鈦合金的安全服役時間,或預期服役時間下的安全應力。
鑒于TC4鈦合金棒材高溫使用環(huán)境的一致性,以及其高溫變形行為的一致性,在測定其他TC4鈦合金棒材的蠕變性能時可參照該方法。
3、結(jié)論
(1)TC4鈦合金棒材的蠕變穩(wěn)定過程所需時間隨著試驗應力的增加而變短,穩(wěn)態(tài)蠕變速率隨著試驗應力的增大而變大。
(2)TC4鈦合金棒材在400℃、規(guī)定0.1％和0.2％殘余變形的條件下,試驗階段內(nèi)試驗應力與試驗時間在坐標值取對數(shù)的情況下成近似線性關系。在一定試驗應力的條件下,彈性變形不隨試驗時間的變化而變化。
(3)在有限試樣條件下,可利用該方法測定TC4鈦合金棒材在規(guī)定使用條件下的蠕變性能。
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